草庐IT

FPGA：什么是亚稳态？亚稳态发生在哪？如何减小亚稳态？

刘颜儿 2023-04-30 原文

前言

亚稳态这个问题经常出现在面试中，因此，需要把标题上那一键三问全部搞清楚

正文

看了好几位前辈对亚稳态的解释，我再结合自己的理解，整理一份关于亚稳态的笔记，下面是内容纲要

一、什么是亚稳态

亚稳态主要是指触发器的输出在一段时间（决断时间：resolution time）内不能达到一个确定的状态，过了这段时间触发器的输出随机选择输出0/1

二、亚稳态发生在哪？

2.1 复位电路

复位电路分为同步复位、异步复位，分别对其进行仿真说明
首先要明确什么是异步、同步？
异步，同步是指输出信号边沿是否和clk上升沿对齐，对齐即为同步，没有对齐即为异步
注：不是看复位信号和clk是否对齐，而是看输出信号和clk是否对齐

2.1.1 同步复位

always块中的敏感信号为：always @(posedge clk)
由综合出的电路可知，当rst_n=0时，Q=1'h0

设计文件
module ff(
	input clk,
	input rst_n,
	input D,
	output reg Q
);
always @(posedge clk) begin
    if(!rst_n)
        Q <= 1'b0;
    else 
        Q <= D;
end
endmodule

由下面的波形图可知，当clk上升沿没到时，Q值未知

2.1.2 异步复位

复位信号不受时钟控制，如复位按键，外界可以在任意时刻对系统进行复位，因此这个复位信号不受时钟控制
always块中的敏感信号为：always @(posedge clk or negedge rst_n)

设计文件
module ff(
	input clk,
	input rst_n,
	input D,
	output reg Q
);
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        Q <= 1'b0;
    else 
        Q <= D;
end
endmodule
测试文件（异步、同步均通用）
`timescale 1 ns / 1 ps
module tb_ff ();
  reg clk;
  reg rst_n;
  reg D;

  wire Q;

  initial begin
      clk = 1'b0;
      rst_n = 1'b0;
		D = 1'b0;
		
	   #30
	   rst_n = 1'b1;
		D = 1'b1;

      #340 
      rst_n = 1'b0;
		D = 1'b0;

      #200;
      rst_n = 1'b1;
      D = 1'b1;
  end  
//always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
always @(posedge clk) begin
//    if(!rst_n)
//        D <= 1'b0;
//    else 
//        D <= 1'b1;
//    
//end

  always #10 clk = ~ clk;
  
  ff ff_inst(
	.clk(clk),
	.rst_n(rst_n),
	.D(D),
	.Q(Q)
);
endmodule
对比实验

在tb文件中用always块和用#10分别对D出发器的输入信号D进行赋值

对比下面4个仿真波形，主要对比打拍、D的初值

#D赋值的其他对比实验

输入信号不在clk上升沿变化

输入信号在clk上升沿变化

2.1.2 同步复位、异步复位中的时间

同步复位：建立时间、保持时间

建立时间（Tsu：set up time）：clk上升沿到来以前，输入信号保持稳定不变的最小时间
保持时间（Th：hold time）：clk上升沿到来之后，输入信号保持稳定不变的最小时间

注意：这里的复位信号也是和input一样作为输入数据输入DFF中，可参照上面同步复位的综合电路图看

异步复位：恢复时间、去除时间

恢复时间（Recovery Time）：复位信号想要拉高，那必须离下一个clk上升沿至少 恢复时间这么长之前拉高，这样才能保证下一个时钟上升沿能正常工作
去除时间（Removal Time）：复位信号拉低后，至少要经过clk上升沿之后，再离上升沿至少去除时间后再拉高，这样才能保证当前clk上升沿不能工作
总结：异步复位中，复位信号由低拉高的瞬间要离clk上升沿前后远一点

注意：只要是触发器，不管是同步复位还是异步复位，输入DFF的数据都要满足建立时间和保持时间，而异步复位还有多一个对复位信号由低拉高的去除时间和恢复时间的要求

同步复位中的亚稳态

输入信号需要满足在建立时间和保持时间内保持稳定，这是使用D触发器的前提

从下图中可以看出，如果两条共色虚线出的输入值不相等，就会造成亚稳态
总结：同步复位中，复位信号由低拉高的瞬间、以及输入信号改变的瞬间要离clk上升沿远一点，不能在Tsu+Th这个时间段里变化

异步复位中的亚稳态

从图中可以看到，rst拉高晚了，应该在Recovery Time左侧就完成拉高工作，并且rst拉低时长短了，应该在Removal Time右侧拉高，这2个时间都没有满足，最后造成亚稳态

2.1.3 异步复位、同步释放

具体实现：将异步复位的复位信号rst_n打2拍后得到arst_n，将打完2拍以后的复位信号arst_n作为输出信号的复位信号，即比简单的异步复位多了对复位信号的打拍操作

注：代码来自孤独的单刀-FPGA同步复位、异步复位、异步复位同步释放
异步复位：输出信号out和clk没有对齐，arst_n什么时候拉低，out就同时跟着拉低
同步释放：输出信号out和clk对齐，arst_n拉高后的下一个时钟上升沿，将in赋值给out

2.2 跨时钟域

clk_1驱动D触发器DFF_1，clk_2驱动D触发器DFF_2，clk_1和clk_2之间存在相移，于是由DFF_1的输出信号传到DFF_2时，可能不满足建立时间和保持时间

2.3 异步信号采集

由于异步信号可以在任何时间点到达目的寄存器，因此无法满足目的寄存器的建立时间和保持时间

三、如何减小亚稳态？

3.1 复位电路

对复位信号采用异步复位、同步释放的方法

3.2 跨时钟域

采用FIFO对跨时钟信号进行缓冲设计

3.3 异步信号采集

对异步信号进行同步处理

FPGA亚稳态spanclasstokenfpga开发

有关FPGA：什么是亚稳态？亚稳态发生在哪？如何减小亚稳态？的更多相关文章

  1. ruby - 如何使用 Nokogiri 的 xpath 和 at_xpath 方法 - 2

    我正在学习如何使用Nokogiri，根据这段代码我遇到了一些问题:require'rubygems'require'mechanize'post_agent=WWW::Mechanize.newpost_page=post_agent.get('http://www.vbulletin.org/forum/showthread.php?t=230708')puts"\nabsolutepathwithtbodygivesnil"putspost_page.parser.xpath('/html/body/div/div/div/div/div/table/tbody/tr/td/div

  2. ruby - 如何从 ruby​​ 中的字符串运行任意对象方法？ - 2

    总的来说，我对ruby​​还比较陌生，我正在为我正在创建的对象编写一些rspec测试用例。许多测试用例都非常基础，我只是想确保正确填充和返回值。我想知道是否有办法使用循环结构来执行此操作。不必为我要测试的每个方法都设置一个assertEquals。例如:describeitem,"TestingtheItem"doit"willhaveanullvaluetostart"doitem=Item.new#HereIcoulddotheitem.name.shouldbe_nil#thenIcoulddoitem.category.shouldbe_nilendend但我想要一些方法来使用

  3. ruby - 为什么我可以在 Ruby 中使用 Object#send 访问私有(private)/ protected 方法？ - 2

    类classAprivatedeffooputs:fooendpublicdefbarputs:barendprivatedefzimputs:zimendprotecteddefdibputs:dibendendA的实例a=A.new测试a.foorescueputs:faila.barrescueputs:faila.zimrescueputs:faila.dibrescueputs:faila.gazrescueputs:fail测试输出failbarfailfailfail.发送测试[:foo,:bar,:zim,:dib,:gaz].each{|m|a.send(m)resc

  4. python - 如何使用 Ruby 或 Python 创建一系列高音调和低音调的蜂鸣声？ - 2

    关闭。这个问题是opinion-based.它目前不接受答案。想要改进这个问题？更新问题，以便editingthispost可以用事实和引用来回答它.关闭4年前。Improvethisquestion我想在固定时间创建一系列低音和高音调的哔哔声。例如:在150毫秒时发出高音调的蜂鸣声在151毫秒时发出低音调的蜂鸣声200毫秒时发出低音调的蜂鸣声250毫秒的高音调蜂鸣声有没有办法在Ruby或Python中做到这一点？我真的不在乎输出编码是什么(.wav、.mp3、.ogg等等)，但我确实想创建一个输出文件。

  5. ruby-on-rails - 如何验证 update_all 是否实际在 Rails 中更新 - 2

    给定这段代码defcreate@upgrades=User.update_all(["role=?","upgraded"],:id=>params[:upgrade])redirect_toadmin_upgrades_path,:notice=>"Successfullyupgradeduser."end我如何在该操作中实际验证它们是否已保存或未重定向到适当的页面和消息？ 最佳答案 在Rails3中，update_all不返回任何有意义的信息，除了已更新的记录数(这可能取决于您的DBMS是否返回该信息)。http://ar.ru

  6. ruby-on-rails - Rails - 子类化模型的设计模式是什么？ - 2

    我有一个模型:classItem项目有一个属性“商店”基于存储的值，我希望Item对象对特定方法具有不同的行为。Rails中是否有针对此的通用设计模式？如果方法中没有大的if-else语句，这是如何干净利落地完成的？ 最佳答案 通常通过Single-TableInheritance. 关于ruby-on-rails-Rails-子类化模型的设计模式是什么？，我们在StackOverflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.co

  7. ruby-on-rails - 'compass watch' 是如何工作的/它是如何与 rails 一起使用的 - 2

    我在我的项目目录中完成了compasscreate.和compassinitrails。几个问题:我已将我的.sass文件放在public/stylesheets中。这是放置它们的正确位置吗？当我运行compasswatch时，它不会自动编译这些.sass文件。我必须手动指定文件:compasswatchpublic/stylesheets/myfile.sass等。如何让它自动运行？文件ie.css、print.css和screen.css已放在stylesheets/compiled。如何在编译后不让它们重新出现的情况下删除它们？我自己编译的.sass文件编译成compiled/t

  8. ruby - 如何将脚本文件的末尾读取为数据文件(Perl 或任何其他语言) - 2

    我正在寻找执行以下操作的正确语法(在Perl、Shell或Ruby中):#variabletoaccessthedatalinesappendedasafileEND_OF_SCRIPT_MARKERrawdatastartshereanditcontinues. 最佳答案 Perl用__DATA__做这个:#!/usr/bin/perlusestrict;usewarnings;while(){print;}__DATA__Texttoprintgoeshere 关于ruby-如何将脚

  9. ruby - 什么是填充的 Base64 编码字符串以及如何在 ruby​​ 中生成它们？ - 2

    我正在使用的第三方API的文档状态:"[O]urAPIonlyacceptspaddedBase64encodedstrings."什么是“填充的Base64编码字符串”以及如何在Ruby中生成它们。下面的代码是我第一次尝试创建转换为Base64的JSON格式数据。xa=Base64.encode64(a.to_json) 最佳答案 他们说的padding其实就是Base64本身的一部分。它是末尾的“=”和“==”。Base64将3个字节的数据包编码为4个编码字符。所以如果你的输入数据有长度n和n%3=1=>"=="末尾用于填充n%

  10. ruby - 解析 RDFa、微数据等的最佳方式是什么，使用统一的模式/词汇(例如 schema.org)存储和显示信息 - 2

    我主要使用Ruby来执行此操作，但到目前为止我的攻击计划如下:使用gemsrdf、rdf-rdfa和rdf-microdata或mida来解析给定任何URI的数据。我认为最好映射到像schema.org这样的统一模式，例如使用这个yaml文件，它试图描述数据词汇表和opengraph到schema.org之间的转换:#SchemaXtoschema.orgconversion#data-vocabularyDV:name:namestreet-address:streetAddressregion:addressRegionlocality:addressLocalityphoto:i

随机推荐